不同處理狀態(tài)的GCr15鋼球應(yīng)力分布分析

劉傳銘，楊建虹，雷建中，王浩，郭浩

（1. 洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.萬(wàn)向集團(tuán) 技術(shù)中心，杭州 311200）

殘余應(yīng)力在軸承中非常重要，在鋼球表層和次表層存在適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力可延長(zhǎng)軸承使用壽命［1］。鋼球的制造加工過(guò)程要在滿(mǎn)足尺寸和精度要求的同時(shí)，在其近表面區(qū)域內(nèi)形成一定深度的殘余應(yīng)力，從而有效提高接觸疲勞壽命。為了保證成品鋼球表層和次表層的殘余應(yīng)力，需要準(zhǔn)確檢測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)程中各工序產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

X射線衍射技術(shù)是目前測(cè)定工件殘余應(yīng)力最常用的方法，其原理為：通過(guò)X射線對(duì)晶體晶格的衍射產(chǎn)生干涉，求出晶格的面間距并確定殘余應(yīng)力，而X射線的穿透深度極淺，只能在表面深度下10～30μm的范圍內(nèi)測(cè)量［2］。由于X射線照射區(qū)域存在曲面衍射效應(yīng)，以及采用電解拋光法對(duì)鋼球表面進(jìn)行剝層處理而無(wú)法對(duì)剝層深度進(jìn)行準(zhǔn)確定位等，鋼球近表面區(qū)域殘余應(yīng)力及其分布的檢測(cè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。下文通過(guò)采用工裝夾具固定的方法，用千分尺測(cè)量剝層前后夾具與鋼球的總高度，計(jì)算剝層深度，從而達(dá)到精確測(cè)量的目的。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原理

采用X射線衍射法進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)布拉格定律和彈性理論，可以導(dǎo)出sin2Ψ法的應(yīng)力測(cè)定公式為

式中：Ψ 為晶面法線與表面法線夾角；σ為應(yīng)力值；K為應(yīng)力常數(shù)；M為2θ對(duì)sin2Ψ的變化斜率；d為平行原子平面的間距；λ為入射波波長(zhǎng)；2θ為對(duì)應(yīng)于各個(gè)Ψ角的衍射角。

由此可知，X射線應(yīng)力測(cè)定的實(shí)質(zhì)就是選定若干個(gè)Ψ角，測(cè)定其對(duì)應(yīng)的衍射角2θ；同時(shí)，為減小照射面積的曲面衍射效應(yīng)，使用最小的焦斑，并采用夾具將鋼球定位，最后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果繪出鋼球的殘余應(yīng)力分布曲線。

1.2 試驗(yàn)條件

對(duì)4組?15.875 mm的GCr15鋼球（每組2粒）采用不同方式處理后進(jìn)行試驗(yàn)，其狀態(tài)見(jiàn)表1。通過(guò)電解拋光法進(jìn)行剝層處理，并用千分尺測(cè)量剝層前后夾具與鋼球的總高度，從而計(jì)算剝層深度。首先采用X-350A型射線應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)量表面應(yīng)力，然后對(duì)不同剝層深度的鋼球進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，該應(yīng)力儀的試驗(yàn)參數(shù)為：準(zhǔn)直管直徑?1 mm；2θ掃描范圍169°～144°；2θ掃描步距0.2°；計(jì)數(shù)時(shí)間2 s；管壓24 V；管流5 A。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)方案分別對(duì)不同處理工藝條件下鋼球，以及未經(jīng)過(guò)和經(jīng)過(guò)表面噴丸強(qiáng)化加工后成品鋼球的應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試。

2.1 不同熱處理工藝條件下應(yīng)力分布

1＃和2＃鋼球的應(yīng)力分布曲線分別如圖1和圖2所示。

圖1 1＃鋼球的應(yīng)力分布曲線

圖2 2＃鋼球的應(yīng)力分布曲線

由圖可知，1＃鋼球表面應(yīng)力為拉應(yīng)力，向心部方向的層深越大，拉應(yīng)力越小，在0.02 mm處拉應(yīng)力趨于穩(wěn)定；2＃鋼球表面應(yīng)力為壓應(yīng)力，向心部方向的層深越大，壓應(yīng)力越小，在約0.07 mm處開(kāi)始變?yōu)槔瓚?yīng)力。

對(duì)于GCr15軸承鋼，其基體中的碳含量與加熱溫度、保溫時(shí)間等熱處理工藝參數(shù)密切相關(guān)，一般在0.55%左右。當(dāng)熱處理爐內(nèi)的碳勢(shì)在0.4%左右時(shí)，由于爐內(nèi)碳勢(shì)低于基體的碳含量，必然導(dǎo)致鋼球的表面出現(xiàn)淺層的貧碳層，使其中的Ms點(diǎn)隨著碳含量的減小而升高。在鋼球冷卻過(guò)程中，由于Ms點(diǎn)的差異使組織應(yīng)力起主導(dǎo)作用，鋼球表面產(chǎn)生拉應(yīng)力［3］，并隨著深度增加而逐漸減小，直到基體組織趨于穩(wěn)定。通過(guò)測(cè)量，在0.4%左右的碳勢(shì)熱處理后鋼球表層的貧碳層約為0.02 mm，也證實(shí)了上述的分析。

反之，當(dāng)熱處理爐內(nèi)的碳勢(shì)在0.9%左右時(shí)，由于爐內(nèi)碳勢(shì)明顯高于基體的碳含量，必然導(dǎo)致鋼球表面出現(xiàn)淺層的增碳層，使其Ms點(diǎn)隨著碳含量的增加而降低。在鋼球冷卻過(guò)程中，由于Ms點(diǎn)的差異使組織應(yīng)力和熱應(yīng)力共同起作用，鋼球表面產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，并隨著向心部的層深減小，最終變成基體的拉應(yīng)力。

2.2 強(qiáng)化工藝下的鋼球應(yīng)力分布

3＃和4＃鋼球的應(yīng)力分布曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 3＃鋼球的應(yīng)力分布曲線

圖4 4＃鋼球的應(yīng)力分布曲線

由圖可知，鋼球經(jīng)過(guò)磨削、精研加工成成品球后，無(wú)論是否經(jīng)過(guò)表面噴丸強(qiáng)化處理，其表面的應(yīng)力狀態(tài)均為壓應(yīng)力，其值與磨削和精研加工工藝有密切關(guān)系。

經(jīng)過(guò)表面噴丸強(qiáng)化的鋼球與未強(qiáng)化的鋼球應(yīng)力分布曲線最大差異是前者在次表層存在壓應(yīng)力最大峰值。未強(qiáng)化鋼球表面的初始應(yīng)力為較高的壓應(yīng)力，隨著深度的增加，壓應(yīng)力逐漸減小，在0.17 mm左右變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)；經(jīng)表面強(qiáng)化處理的鋼球表面初始應(yīng)力同樣為較高的壓應(yīng)力，強(qiáng)化工藝使應(yīng)力先減小再增大，在0.10 mm左右到達(dá)最大壓應(yīng)力后再逐漸減小，到0.35 mm左右變?yōu)槔瓚?yīng)力。

通過(guò)檢測(cè)表面剝層應(yīng)力不僅可以判斷鋼球是否經(jīng)過(guò)表面噴丸強(qiáng)化，還可以對(duì)強(qiáng)化工藝后的壓應(yīng)力是否能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求起到監(jiān)督作用。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)測(cè)試不同熱處理工藝條件下鋼球的應(yīng)力值可知，應(yīng)力分布狀態(tài)與熱處理爐內(nèi)的碳勢(shì)和基體碳含量的差值有關(guān)。

（2）通過(guò)對(duì)比未經(jīng)過(guò)和經(jīng)過(guò)表面噴丸強(qiáng)化加工后成品鋼球的應(yīng)力分布狀態(tài)可知，經(jīng)過(guò)磨削與精研加工工藝后，鋼球表面具有較高的壓應(yīng)力，而經(jīng)過(guò)強(qiáng)化工藝加工后，鋼球的次表面出現(xiàn)強(qiáng)化峰值，可提高鋼球的使用壽命。

（3）通過(guò)采用工裝夾具精確定位測(cè)試剝層應(yīng)力的方法，基本解決了應(yīng)力值與深度無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)的問(wèn)題，對(duì)不同加工工藝與應(yīng)力分布狀態(tài)的關(guān)系起到驗(yàn)證作用。